Общая химия: учебник / А. В. Жолнин; под ред. В. А. Попкова, А. В. Жолнина. - 2012. - 400 с.: ил.

Глава 2. ОСНОВЫ КИНЕТИКИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Глава 2. ОСНОВЫ КИНЕТИКИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Разница между дыханием и горением только в скорости процесса.

А.-Л. Лавуазье

2.1. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. ПРЕДМЕТ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ. СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ

О направлении, глубине и принципиальной возможности протекания процесса судят по величине изменения свободной энергии (ΔG ≤0). Однако эта величина не говорит о реальной возможности протекания реакции в данных условиях.

Например, реакция взаимодействия закиси азота с кислородом протекает мгновенно при комнатной температуре:

В то же время 2Н 2 (г) + О 2 (г) = 2Н 2 О(ж), Δ°G = -286,8 кДж/моль - реакция, характеризующаяся значительно большим уменьшением свободной энергии, в обычных условиях взаимодействие не протекает, но при 700 °С или в присутствии катализатора процесс протекает мгновенно. Следовательно, термодинамика не отвечает на вопрос условий и скорости протекания процесса. В этом проявляется ограниченность термодинамического подхода. Для описания химической реакции необходимо знать также закономерности ее протекания во времени, которые изучает кинетика.

Кинетика - это раздел химии, изучающий скорость, механизм химических реакций и влияние на них различных факторов.

В зависимости от того, в одной или нескольких фазах находятся компоненты реакции, различают кинетику гомогенных и гетерогенных реакций. По механизму реакции делятся на простые и сложные, поэтому выделяют кинетику простых и сложных реакций.

Основным понятием кинетики реакции является скорость химической реакции. Определение скорости химических реакций имеет биологическое и народно-хозяйственное значение.

Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего за единицу времени в единице объема (в случае гомогенных реакций, когда реагирующие вещества находятся в одной фазе) или на единице поверхности раздела фаз (в случае гетерогенных реакций, когда реагирующие вещества находятся в различных фазах).

Скорость реакции характеризуют изменением концентрации какого-либо из исходных или конечных продуктов реакции в функции времени. Уравнение, описывающее зависимость скорости реакции (v) от концентрации (с) реагирующих веществ, называется кинетическим. Скорость реакции чаще выражают в моль/л-с, в биохимии в мг/100мл-с, или в массовой доле, в %/100 мл-с. Различают среднюю скорость реакции в интервале времени и истинную скорость реакции в определенный момент времени. Если в интервале времени t 1 и t 2 концентрация одного из исходных веществ или продуктов реакции равна соответственно с 1 и с 2 , то среднюю скорость реакции (v) в интервале времени t 1 и t 2 можно выразить:

Поскольку речь идет в данном случае об убыли концентрации исходного вещества, т.е. изменение концентрации вещества берется в этом случае со знаком «минус» (-). Если скорость реакции оценивается изменением (увеличением) концентрации одного из продуктов реакции, то со знаком «плюс» (+):

По уравнению (2.2) определяют среднюю скорость химической реакции. Истинную (мгновенную) скорость реакции определяют графически. Строят график зависимости концентрации исходного вещества или продукта реакции (Са) от времени (t) - кинетическую кривую реакции Са - f(t) для нелинейного процесса (рис. 2.1).

В каждый момент времени (например, t 1) истинная скорость реакции равна тангенсу угла наклона касательной к кинетической кривой в точке, соответствующей данному моменту времени. Согласно графику мгновенная скорость реакции будет рассчитываться по формуле:

В биохимии для описания кинетики ферментативных реакций используется уравнение Михаэлиса- Ментен, которое показывает зависимость скорости реакции, катализируемой ферментом, от концентрации субстрата и фермента. Простейшая кинетическая схема, для которой справедливо уравнение Михаэлиса: E + S ↔ ES → E + P:

Рис. 2.1. Кинетическая кривая

где V m - максимальная скорость реакции; К м - константа Михаэлиса, равная концентрации субстрата, при которой скорость реакции составляет половину от максимальной; S - концентрация субстрата.

Исследование скорости химической реакции позволяют получить информацию о ее механизме. Помимо концентрации скорость реакции зависит от природы реагентов, внешних условий и наличия катализатора.

2.2. МОЛЕКУЛЯРНОСТЬ И ПОРЯДОК РЕАКЦИИ. ПЕРИОД ПОЛУПРЕВРАЩЕНИЯ

В кинетике химические реакции различаются по признаку моле-кулярности и порядка реакции. Молекулярность реакции определяется числом частиц (атомов, молекул или ионов), одновременно участвующих в элементарном акте химического превращения. В элементарном акте реакции могут принимать участие одна, две или три молекулы. Вероятность соударения большего числа частиц очень мала. По этому признаку различают мономолекулярные, бимолекулярные и тримоле-кулярные реакции. Экспериментально молекулярность реакции можно определить только для элементарных (простых) реакций, протекающих в одну стадию в соответствии со стехиометрическим уравнением. Для протекания большинства подобных реакций требуется большая энергия активации (150-450 кДж/моль).

Большая часть реакций - сложные. Совокупность элементарных стадий, составляющих сложную реакцию, называется механизмом реак-

ции. Поэтому для характеристики кинетики реакции вводится понятие порядка реакции, который определяется по стехиометрическому уравнению.

Сумма стехиометрических показателей всех исходных веществ, входящих в уравнение реакции (2.5) (a + b), определяет общий порядок реакции. Показатель, с которым данный реагент входит в уравнение, называют порядком реакции по веществу (частный порядок реакции), например, показатель а - порядок реакции по веществу А, b - по веществу В. Порядок реакции и молекулярность совпадают только для простых реакций. Определяют порядок реакции те вещества, которые влияют на скорость реакции.

К мономолекулярным относятся реакции разложения и изомеризации.

Реакции, в уравнение скорости которых входит концентрация одного реагирующего вещества в первой степени, называют реакциями первого порядка.

В кинетическое уравнение входят вещества, концентрация которых изменяется в процессе реакции. Концентрации веществ, находящихся в значительном избытке, не изменяются в процессе реакции.

Вода в реакции гидролиза карбоната натрия находится в значительном избытке и в кинетическое уравнение не входит.

В гетерогенных системах столкновение частиц происходит на границе раздела фаз, поэтому масса твердой фазы не влияет на скорость реакции и поэтому не учитывается в выражении для скорости реакции.

К бимолекулярным относятся реакции димеризации и реакции замещения, протекающие через стадию активированного комплекса.

Реакции, скорость которых пропорциональна произведению концентраций двух веществ в первой степени или квадрату концентрации одного вещества, называются реакциями второго порядка.

Тримолекулярные реакции редки, а четырехмолекулярные не известны.

Среди биохимических процессов реакции третьего порядка не встречаются.

Реакции, скорость которых не зависит от концентрации исходных веществ, называются реакциями нулевого порядка (v = k).

Пример реакций нулевого порядка - каталитические реакции, скорость которых зависит только от концентрации катализатора. Частным случаем таких реакций являются ферментативные реакции.

В биохимических процессах участвуют, как правило, несколько реагентов (субстрат, кофермент, кофактор). Иногда не все они известны. Поэтому за ходом процесса судят по одному веществу. При этом количественной характеристикой протекания реакций во времени является период (время) полупревращения реагента - время, за которое количество или концентрация исходного вещества уменьшается в два раза (на 50%) или образуется половина продуктов реакции. Таким способом характеризуют, в частности, распад радионуклидов, так как их период полупревращения не зависит от исходного количества.

Анализируя зависимость периода полупревращения реакции от начальной концентрации, можно определить порядок реакции (способ Оствальда-Нойеса). Постоянством периода полупревращения (при данной температуре) характеризуются многие реакции разложения и вообще реакции первого порядка. С увеличением концентрации реагента период полупревращения уменьшается для реакций второго порядка и увеличивается для реакций нулевого порядка.

2.3. КОНСТАНТА СКОРОСТИ РЕАКЦИИ, ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ. ЗАКОН ДЕЙСТВУЮЩИХ МАСС

Скорость гомогенных реакций зависит от числа встреч реагирующих частиц в единицу времени в единице объема. Вероятность соударения взаимодействующих частиц пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Таким образом, скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам соответствующих веществ в уравнении реакции. Указанная закономерность называется законом действующих масс (закон скорости химической реакции), который является

основным законом химической кинетики. Закон действующих масс установлен норвежскими учеными К. Гульдбергом и П. Ваге в 1867 г.

Например, для реакции, протекающей в общем виде, согласно схеме

будет справедливо кинетическое уравнение:

где v - скорость химической реакции; с А и с В - концентрации веществ А и В [моль/л]; v a и v b - показатели порядка по реагентам A и B; k - константа скорости химической реакции - коэффициент, не зависящий от концентрации реагирующих веществ.

Константа скорости химической реакции (k) представляет собой скорость химической реакции в условиях, когда произведение концентраций реагирующих веществ равно 1 моль/л. В этом случае v = k.

Например, если в реакции Н 2 (г) + I 2 (г) = 2НI(г) c(H 2) и c(I 2) равны по 1 моль/л или если c(H 2) равна 2 моль/л, а c(I 2) 0,5 моль/л, то v = k.

Единицы измерения константы равновесия определяются стехиометрией реакции. Константы скорости реакций разных порядков сравнивать между собой некорректно, поскольку они являются разными по смыслу величинами, имеющими разные размерности.

2.4. МЕХАНИЗМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. КЛАССИФИКАЦИЯ СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЙ

Механизм реакций рассматривает все столкновения индивидуальных частиц, которые происходят одновременно или последовательно. Механизм дает детальную стехиометрическую картину каждой ступени реакции, т.е. понимание механизма означает установление молеку-лярности каждой ступени реакции. Изучение механизма химических реакций является очень сложной задачей. Ведь мы же не можем проводить прямые наблюдения за ходом взаимодействия молекул. Полученные результаты иногда зависят от размеров и формы сосуда. В некоторых случаях одни и те же результаты можно объяснить, используя разные механизмы.

Реакция газообразных водорода с йодом Н 2 (г) + I 2 (г) = 2НI(г) считалась классическим примером бимолекулярной реакции второго

порядка, но в 1967 г. Н.Н. Семенов, Г. Эйринг и Дж. Салливэн показали, что она имеет сложный характер и состоит из 3 элементарных реакций: I 2 = 2I; 2I = I 2 ; 2I + H 2 = 2HI. Хотя реакция формально может быть отнесена к тримолекулярным, ее скорость описывается кинетическим уравнением, напоминающим уравнение реакции второго порядка:

В сложных реакциях молекулярность и порядок реакции, как правило, не совпадают. Необычный - дробный или отрицательный - порядок реакции однозначно указывает на ее сложный механизм.

Кинетическое уравнение реакции окисления угарного газа кислородом 2СО(г) + O 2 (г) = СO 2 (г) имеет отрицательный (минус первый) порядок по СО:

при увеличении концентрации угарного газа скорость реакции уменьшается.

По механизму протекания реакции можно разделить на несколько типов.

Последовательными реакциями называют сложные реакции, в каждой из которых продукт (Х 1) первой элементарной стадии вступает в реакцию с продуктом второй стадии, продукт (Х 2) второй стадии вступает в третью и т.д., пока не образуется конечный продукт:

где S - субстрат (исходный реагент); k 1 , k 2 , k 3 ... - константа скорости 1, 2 и т.д. стадий реакции; P - конечный продукт.

Стадии последовательных реакций протекают с различной скоростью. Стадия, константа скорости которой минимальна, называется лимитирующей. Она определяет кинетическую закономерность реакции в целом. Вещества, образующиеся в промежуточных стадиях, называются промежуточными продуктами или интермедиатами, которые являются субстратами последующих стадий. Если интермедиат медленно образуется и быстро распадается, то его концентрация в течение длительного времени не изменяется. Практически все процессы метаболизма являются последовательными реакциями (например, метаболизм глюкозы).

Параллельными реакциями называют реакции, имеющие одни и те же исходные реагенты, которым соответствуют различные продукты. Скорость параллельных реакций равна сумме скоростей отдельных реакций. Это правило применимо и для бимолекулярных параллельных химических реакций.

Последовательно-параллельными реакциями называют реакции, имеющие одни и те же исходные реагенты, которые могут реагировать по двум путям (механизмам) и более, в том числе с разным количеством промежуточных стадий. Данный случай лежит в основе явления катализа, когда интермедиат одного из путей будет способствовать увеличению скорости других путей.

Конкурирующими реакциями называют сложные реакции, в которых одно и тоже вещество А одновременно взаимодействует с одним или несколькими реагентами В 1 , В 2 и т.д., участвует в одновременно протекающих реакциях: А + В 1 → Х 1 ; А + В 2 → Х 2 . Эти реакции конкурируют друг с другом за реагент А.

Сопряженными реакциями называют сложные реакции, в которых одна реакция протекает только в присутствии другой. В сопряженных реакциях промежуточное вещество служит связывающим звеном между первичным и вторичным процессами и обусловливает протекание обоих.

Живая клетка для своего существования нуждается в энергии. Универсальным источником энергии в живых организмах является аде-нозинтрифосфорная кислота (АТФ). Это соединение выполняет функцию аккумулятора энергии, так как при его взаимодействии с водой, т.е. гидролизе, образуются аденозиндифосфорная (АДФ) и фосфорная (Ф) кислоты и выделяется энергия. Поэтому АТФ называется макро-эргическим соединением, а разрывающаяся при его гидролизе связь Р-О-Р - макроэргической. Макроэргической связью называется химическая связь, при разрыве которой в результате реакции гидролиза выделяется значительная энергия:

Как известно, разрыв любой связи (в том числе и макроэргической) всегда требует затраты энергии. В случае же гидролиза АТФ, кроме процесса разрыва связи между фосфатными группами, для которого ΔG >0, происходят процессы гидратации, изомеризации и нейтрализации продуктов, образующихся при гидролизе. В результате всех этих процессов суммарное изменение энергии Гиббса имеет отрицательное

значение. Следовательно, макроэргическим является не разрыв связи, а энергетический результат ее гидролиза.

Для того чтобы в живых системах протекали эндэргонические реакции (ΔG >0), необходимо, чтобы они были сопряжены с экзэрго-ническими реакциями (ΔG <0). Такое сопряжение возможно, если обе реакции имеют какое-либо общее промежуточное соединение, и на всех стадиях сопряженных реакций суммарный процесс характеризуется отрицательным значением изменения энергии Гиббса (∑ΔG сопр.р <0). Например, синтез сахарозы является эндэргонической реакцией и самопроизвольно происходить не может:

Однако сопряжение этой реакции с экзэргонической реакцией гидролиза АТФ, сопровождающееся образованием общего промежуточного соединения глюкозо-1-фосфата, приводит к тому, что суммарный процесс имеет ∑ΔG <0:

Цепными реакциями называют химические и ядерные реакции, в которых появление активной частицы (свободного радикала или атома в химических, нейтрона в ядерных процессах) вызывает большое число (цепь) последовательных превращений неактивных молекул или ядер. Цепные реакции распространены в химии. По цепному механизму протекают многие фотохимические реакции, процессы окисления (горение, взрыв), полимеризации, крекинга. Теория цепных реакций разработана академиком H.H. Семеновым, С.Н. Хиншельвудом (Англия) и др. Основными стадиями цепных реакций являются: зарождение (инициация), продолжение (элонгация) и обрыв цепи (терминация). Различают два типа цепных реакций: реакции с неразветвленными и с разветвленными цепями. Особенность цепных реакций состоит в том, что один первичный акт активации приводит к превращению огромного числа молекул исходных веществ. Биохимические реакции свободно-радикального окисления являются цепными.

Периодическими (автоколебательными) реакциями называют сложные многостадийные автокаталитические реакции с участием нескольких веществ, в которых происходит периодическое колебание концентраций окисленной и восстановленной форм. Колебательные реакции открыты Б.П. Белоусовым, исследованы А.М. Жаботинским и др. Частота и форма колебаний зависят от концентраций исходных веществ, кислот-

ности, температуры. Примером таких реакций может являться взаимодействие броммалоновой кислоты с броматом калия в кислой среде, катализатором служит соль церия (III). Периодические реакции имеют большое значение для биологических объектов, где реакции подобного рода широко распространены.

Реакции твердофазного горения (реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, СВС) открыты в 1967 году в Институте химической физики АН СССР А.Г. Мержановым и И.Г. Боровинской. Сущность метода СВС заключается в том, что после локального инициирования реакции взаимодействия реагентов фронт реакции горения самопроизвольно распространяется по всей системе благодаря теплопередаче от горячих продуктов к исходным веществам, инициируя протекание в них реакции взаимодействия. Таким образом, осуществляется процесс горения, который является и причиной, и следствием протекания реакции. Механизм протекания реакций СВС является достаточно сложным и включает в себя процессы реакционной диффузии. Термин «реакционная диффузия» определяет совокупность явлений, происходящих при взаимодействии двух химически различных компонентов, способных образовывать химические соединения в виде твердых фаз. Продукты химического взаимодействия образуют сплошной слой, отличающийся по своему строению от исходных компонентов, но не мешающий протеканию дальнейшего взаимодействия.

2.5. ТЕОРИЯ АКТИВНЫХ СОУДАРЕНИЙ. ЭНЕРГИЯ АКТИВАЦИИ. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ РЕАКЦИИ ОТ ПРИРОДЫ РЕАГИРУЮЩИХ ВЕЩЕСТВ И ТЕМПЕРАТУРЫ

Для того чтобы совершился элементарный акт химического взаимодействия, реагирующие частицы должны столкнуться друг с другом. Однако не каждое столкновение приводит к химическому взаимодействию. Последнее происходит в том случае, когда частицы приближаются на расстояния, при которых возможно перераспределение электронной плотности и возникновение новых химических связей. Взаимодействующие частицы должны обладать энергией, достаточной для преодоления сил отталкивания, возникающих между их электронными оболочками.

Переходное состояние - состояние системы, при котором уравновешены разрушение и создание связи. В переходном состоянии система

находится в течение небольшого (10 -15 с) времени. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы привести систему в переходное состояние, называется энергией активации. В многоступенчатых реакциях, которые включают в себя несколько переходных состояний, энергия активации соответствует наибольшему значению энергии. После преодоления переходного состояния молекулы вновь разлетаются с разрушением старых связей и образованием новых или с преобразованием исходных связей. Оба варианта возможны, так как происходят с высвобождением энергии. Существуют вещества, способные уменьшить энергию активации для данной реакции.

Активные молекулы А 2 и B 2 при столкновении объединяются в промежуточный активный комплекс А 2 ...В 2 с ослаблением, а затем и разрывом связей А-А и В-В и упрочнением связей А-В.

«Энергия активации» реакции образования HI (168 кДж/моль) значительно меньше, чем энергия, необходимая для полного разрыва связи в исходных молекулах Н 2 и I 2 (571 кДж/моль). Поэтому путь реакции через образование активного (активированного) комплекса энергетически более выгоден, чем путь через полный разрыв связей в исходных молекулах. Через образование промежуточных активных комплексов происходит подавляющее большинство реакций. Положения теории активного комплекса разработаны Г. Эйрингом и М. Поляни в 30 годах XX в.

Энергия активации представляет собой избыток кинетической энергии частиц относительно средней энергии, необходимой для химического превращения сталкивающихся частиц. Реакции характеризуются различными величинами энергии активации (Е а). В большинстве случаев энергия активации химических реакций между нейтральными молекулами составляет от 80 до 240 кДж/моль. Для биохимических процессов значения Е а зачастую ниже - до 20 кДж/моль. Это объясняется тем, что абсолютное большинство биохимических процессов протекает через стадию фермент-субстратных комплексов. Энергетические барьеры ограничивают протекание реакции. Благодаря этому в принципе возможные реакции (при G <0) практически всегда не протекают

или замедляются. Реакции с энергией активации выше 120 кДж/моль настолько медленны, что их протекание трудно заметить.

Для осуществления реакции молекулы при столкновении должны быть определенным образом ориентированы и обладать достаточной энергией. Вероятность надлежащей ориентации при столкновении характеризуют с помощью энтропии активации ΔS a . Перераспределению электронной плотности в активном комплексе благоприятствует условие, когда при столкновении молекулы А 2 и В 2 ориентированы, как это показано на рис. 2.2, а, тогда как при ориентации, показанной на рис. 2.2, б, вероятность реакции еще гораздо меньше - на рис. 2.2, в.

Рис. 2.2. Благоприятная (а) и неблагоприятные (б, в) ориентации молекул А 2

и В 2 при столкновении

Уравнение, характеризующее зависимость скорости и реакции от температуры, энергии активации и энтропии активации, имеет вид:

где k - константа скорости реакции; A - в первом приближении общее число столкновений между молекулами за единицу времени (секунду) в единице объема; е - основание натуральных логарифмов; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; Е а - энергия активации; ΔS a - изменение энтропии активации.

Уравнение (2.8) выведено Аррениусом в 1889 году. Предэкспо-ненциальный множитель A пропорционален общему числу соударений между молекулами в единицу времени. Его размерность совпадает с размерностью константы скорости и, следовательно, зависит от суммарного порядка реакции. Экспонента равна доле активных соударений от их общего числа, т.е. столкнувшиеся молекулы должны иметь доста-

точную энергию взаимодействия. Вероятность же их нужной ориентации в момент соударения пропорциональна e ΔSa/R

При обсуждении закона действующих масс для скорости (2.6) специально было оговорено, что константа скорости есть постоянная величина, не зависящая от концентраций реагентов. При этом предполагалось, что все химические превращения протекают при постоянной температуре. Вместе с тем хорошо известно, что быстрота химического превращения может существенно изменяться при понижении или повышении температуры. С точки зрения закона действующих масс это изменение скорости обусловлено температурной зависимостью константы скорости, так как концентрации реагирующих веществ лишь незначительно меняются вследствие теплового расширения или сжатия жидкости.

Наиболее хорошо известным фактом является возрастание скорости реакций с увеличением температуры. Такой тип температурной зависимости скорости называется нормальным (рис. 2.3, а). Этот тип зависимости характерен для всех простых реакций.

Рис. 2.3. Типы температурной зависимости скорости химических реакций: а - нормальная; б - аномальная; в - ферментативная

Однако в настоящее время хорошо известны химические превращения, скорость которых падает с увеличением температуры. В качестве примера можно привести газофазную реакцию азота (II) оксида с бромом (рис. 2.3, б). Такой тип температурной зависимости скорости называется аномальным.

Особый интерес для медиков представляет зависимость от температуры скорости ферментативных реакций, т.е. реакций с участием ферментов. Практически все реакции, протекающие в организме, относятся к этому классу. Например, при разложении водородперок-сида в присутствии фермента каталазы скорость разложения зависит от температуры. В интервале 273-320 °K температурная зависимость имеет нормальный характер. С увеличением температуры скорость возрастает, с уменьшением - падает. При подъеме температуры выше

320 °K наблюдается резкое аномальное падение скорости разложения пероксида. Сходная картина имеет место и для других ферментативных реакций (рис. 2.3, в).

Из уравнения Аррениуса для k видно, что, поскольку Т входит в показатель степени, скорость химической реакции очень чувствительна к изменению температуры. Зависимость скорости гомогенной реакции от температуры может быть выражена правилом Вант-Гоффа, согласно которому при увеличении температуры на каждые 10° скорость реакции возрастает в 2-4 раза; число, показывающее во сколько раз возрастает скорость данной реакции при повышении температуры на 10°, называется температурным коэффициентом скорости реакции - γ.

где k - константа скорости при температуре t °C. Зная величину γ, можно рассчитать изменение скорости реакции при изменении температуры от T 1 до T 2 по формуле:

При повышении температуры в арифметической прогрессии скорость возрастает в геометрической.

Например, если γ = 2,9, то при возрастании температуры на 100° скорость реакции увеличивается в 2,9 10 раз, т.е. в 40 тыс. раз. Отклонения от этого правила составляют биохимические реакции, скорость которых увеличивается в десятки раз при незначительном повышении температуры. Это правило справедливо лишь в грубом приближении. Реакции, в которых участвуют крупные молекулы (белка), характеризуются большим температурным коэффициентом. Скорость денатурации белка (яичного альбумина) возрастает в 50 раз при повышении температуры на 10 °С. После достижения некоторого максимума (50-60 °С) скорость реакции резко понижается в результате термоденатурации белка.

Для многих химических реакций закон действующих масс для скорости неизвестен. В таких случаях для описания температурной зависимости скорости превращения может применяться выражение:

Предэкспонента А с не зависит от температуры, однако зависит от концентрации. Единицей измерения является моль/л с.

Теоретическая зависимость позволяет заранее рассчитывать скорость при любой температуре, если известны энергия активации и предэкспонента. Таким образом, прогнозируется влияние температуры на быстроту протекания химического превращения.

2.6. ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ РЕАКЦИИ. СОСТОЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ. УРАВНЕНИЕ ИЗОТЕРМЫ РЕАКЦИИ

Химическая реакция не всегда «доходит до конца», другими словами, исходные вещества не всегда полностью превращаются в продукты реакции. Это происходит потому, что по мере накопления продуктов реакции могут создаться условия для протекания реакции в противоположном направлении. Действительно, если, например, смешать пары йода с водородом при температуре ~200 °С, то произойдет реакция: Н 2 + I 2 = 2HI. Однако известно, что йодоводород уже при нагревании до 180 °С начинает разлагаться на йод и водород: 2HI = Н 2 + I 2 .

Химические реакции, которые при одних и тех же условиях могут идти в противоположных направлениях, называют обратимыми. При написании уравнений обратимых реакций вместо знака равенства ставят две противоположно направленные стрелки. Реакцию, протекающую слева направо, называют прямой (константа скорости прямой реакции k 1), справа налево - обратной (константа скорости обратной реакции k 2).

В обратимых реакциях скорость прямой реакции вначале имеет максимальное значение, а затем уменьшается вследствие уменьшения концентрации исходных веществ. И наоборот, обратная реакция в начальный момент имеет минимальную скорость, которая увеличивается по мере нарастания концентрации продуктов реакции. Наконец, наступает такой момент, когда скорости прямой и обратной реакции становятся равными. Состояние, в котором скорость обратной реакции становится равной скорости прямой реакции, называют химическим равновесием.

Состояние химического равновесия обратимых процессов количественно характеризуется константой равновесия. В момент достижения состояния химического равновесия скорости прямой и обратной реакций равны (кинетическое условие).

где K - константа равновесия, представляющая собой отношение констант скорости прямой и обратной реакций.

В правой части уравнения стоят те концентрации взаимодействующих веществ, которые устанавливаются при равновесии - равновесные концентрации. Это уравнение представляет собой математическое выражение закона действующих масс при химическом равновесии. Особо следует отметить, что в отличие от закона действующих масс для скорости реакции в данном уравнении показатели степени a, b, d, f и т.д. всегда равны стехиометрическим коэффициентам в равновесной реакции.

Численное значение константы равновесия данной реакции определяет ее выход. Выходом реакции называют отношение количества получаемого в действительности продукта к тому количеству, которое получилось бы при протекании реакции до конца (выражается обычно в процентах). Так, при K >>1 выход реакции велик и, наоборот, при K <<1 выход реакции очень мал.

Константа равновесия связана со стандартной энергией Гиббса реакции следующим соотношением:

Используя уравнение (2.12), можно найти значение энергии Гиббса реакции через равновесные концентрации:

Это уравнение называют уравнением изотермы химической реакции. Оно позволяет рассчитать изменение энергии Гиббса при протекании процесса и определить направление протекания реакции:

при ΔG <0 - реакция идет в прямом направлении, слева направо;

При ΔG = 0 - реакция достигла равновесия (термодинамическое условие);

при ΔG >0 - реакция идет в обратном направлении.

Важно понять, что константа равновесия не зависит от концентраций веществ. Справедливо обратное утверждение: в состоянии равновесия сами концентрации принимают такие значения, что отношение их произведений в степенях стехиометрических коэффициентов

оказывается постоянной величиной при данной температуре. Данное утверждение соответствует закону действующих масс и даже может использоваться в качестве одной из его формулировок.

Как было сказано выше, обратимые реакции не протекают до конца. Однако если один из продуктов обратимой реакции покидает сферу реакции, то по существу обратимый процесс протекает практически до конца. Если в обратимой реакции участвуют электролиты и один из продуктов этой реакции представляет собой слабый электролит, осадок или газ, то в этом случае реакция также протекает практически до конца. Необратимыми реакциями называют такие реакции, продукты которых не взаимодействуют друг с другом с образованием исходных веществ. Необратимые реакции, как правило, «доходят до конца», т.е. до полного израсходования хотя бы одного из исходных веществ.

2.7. ПРИНЦИП ЛЕ ШАТЕЛЬЕ

Состояние химического равновесия при неизменных внешних условиях теоретически может сохраняться бесконечно долго. В реальной действительности при изменении температуры, давления или концентрации реагентов равновесие может «сместиться» в ту или иную сторону протекания процесса.

Изменения, происходящие в системе в результате внешних воздействий, определяются принципом подвижного равновесия - принципом Ле Шателье.

Внешнее воздействие на систему, находящуюся в состоянии равновесия, приводит к смещению этого равновесия в направлении, при котором эффект произведенного воздействия ослабляется.

Применительно к трем основным типам внешнего воздействия - изменению концентрации, давления и температуры - принцип Ле Шателье трактуется следующим образом.

При увеличении концентрации одного из реагирующих веществ равновесие смещается в сторону расхода этого вещества, при уменьшении концентрации равновесие смещается в сторону образования этого вещества.

Влияние давления очень напоминает эффект изменения концентраций реагирующих веществ, но сказывается оно только на газовых системах. Сформулируем общее положение о влиянии давления на химическое равновесие.

При увеличении давления равновесие смещается в сторону уменьшения количеств газообразных веществ, т.е. в сторону понижения давления; при уменьшении давления равновесие смещается в сторону возрастания

количеств газообразных веществ, т.е. в сторону увеличения давления. Если реакция протекает без изменения числа молекул газообразных веществ, то давление не влияет на положение равновесия в этой системе.

При изменении температуры изменяются как прямая, так и обратная реакции, но в разной степени. Следовательно, для выяснения влияния температуры на химическое равновесие необходимо знать знак теплового эффекта реакции.

При повышении температуры равновесие смещается в сторону эндотермической реакции, при понижении температуры - в сторону экзотермической реакции.

Применительно к биосистемам принцип Ле Шателье гласит, что в биосистеме на каждое действие формируется такое же по силе и характеру противодействие, которое уравновешивает биологические регуляторные процессы и реакции и формирует сопряженный уровень их неравновесности.

При патологических процессах существующая замкнутость регу-ляторного контура нарушается. В зависимости от уровня неравновесности изменяется качество межсистемных и межорганных отношений, они приобретают все более нелинейный характер. Структуру и специфику этих взаимоотношений подтверждает анализ зависимости между показателями системы перекисного окисления липидов и уровнем антиоксидантов, между гармоническими показателями в условиях адаптации и патологии. Данные системы участвуют в поддержании антиокислительного гомеостаза.

2.8. ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПОДГОТОВЛЕННОСТИ К ЗАНЯТИЯМ И ЭКЗАМЕНАМ

1.Какие реакции называются гомогенными, а какие гетерогенными? Приведите по одному примеру каждого типа реакций.

2.Какие реакции называют простыми, а какие сложными? Приведите по два примера простых и сложных реакций.

3.В каком случае молекулярность и порядок кинетического уравнения могут численно совпадать?

4.Скорость некоторой реакции с течением времени не изменяется. Изменится ли с течением времени период полупревращения этой реакции, и если изменится, то как? Дайте объяснение.

5.В каком случае истинная (мгновенная) скорость и средняя скорость реакции (в достаточно большом интервале времени) могут совпадать?

6.Вычислите константу скорости реакции A + B → AB, если при концентрациях веществ A и B, равных соответственно 0,5 и 0,1 моль/л, ее скорость равна 0,005 моль/л мин.

7.Период полупревращения некоторой реакции первого порядка равен 30 мин. Какая часть от первоначального количества вещества останется через час?

8.Дать понятие общего порядка реакции и порядка реакции по веществу.

9.Методы определения скорости реакции.

10.Основной закон химической кинетики.

11.Дать понятие механизма химических реакций.

12.Простые и сложные реакции.

13.Сопряженные реакции. От каких факторов зависит константа скорости химических реакций?

14.Скорость реакции действительно пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ в степени их стехиометри-ческих коэффициентов?

15.Какие требуются экспериментальные данные для определения порядка реакций?

16.Напишите кинетическое уравнение реакции H 2 O 2 + 2HI → I 2 + + 2H 2 O, если смешаны равные объемы 0,02 моль/л раствора H 2 O 2 и 0,05 моль/л раствора HI. Константа скорости 0,05 л/моль с.

17.Напишите кинетическое уравнение реакции H 2 O 2 + 2HI → I 2 + + 2H 2 O, учитывая, что она характеризуется первым порядком реакции по концентрациям обоих исходных веществ.

18.Докажите, что скорость химической реакции максимальна при стехиометрическом соотношении компонентов.

19.Перечислите возможные объяснения влияния температуры на скорость реакции.

2.9. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

1. Согласно правилу Вант-Гоффа при повышении температуры на 10° скорость многих реакций:

а)уменьшается в 2-4 раза;

б)уменьшается в 5-10 раз;

в)увеличивается в 2-4 раза;

г)увеличивается в 5-10 раз.

2. Количество элементарных актов взаимодействия в единицу времени определяет:

а)порядок реакции;

б)скорость реакции;

в)молекулярность реакции;

г)период полупревращения.

3. Какие факторы влияют на увеличение скорости реакции?

а)природа реагирующих веществ;

б)температура, концентрация, катализатор;

в)только катализатор;

г)только концентрация;

д)только температура.

4. Во сколько раз увеличится скорость реакции 2А(г) + В(г) → А 2 В(г) при увеличении концентрации вещества А в 2 раза?

а)скорость не изменится;

б)увеличится в 18 раз;

в)увеличится в 8 раз;

г)увеличится в 4 раза;

д)увеличится в 2 раза.

5. Элементарная реакция А(тв) + 2В(г) → АВ 2 (г). Укажите правильное кинетическое уравнение этой реакции:

а)k[A][B] 2 ;

б)k[A][B];

в)к[В];

г)к[В] 2 ;

д)к[А].

6. Как нужно изменить давление в системе, чтобы увеличить скорость реакции А(тв) + 2В(г) → АВ 2 (г) в 9 раз?

а)увеличить давление в 9 раз;

б)уменьшить давление в 9 раз;

в)увеличить давление в 3 раза;

г)уменьшить давление в 3 раза.

7. Чему равен температурный коэффициент реакции γ 10 , если при охлаждении реакционной смеси на 30° скорость реакции уменьшилась в 8 раз?

а)16;

б)8;

в)6;

г)4;

д)2.

8. Какая реакция идет быстрее?

а)Е акт = 40 кДж/моль;

б) Е акт = 80 кДж/моль;

в) Е акт = 160 кДж/моль;

г) Е акт = 200 кДж/моль.

Реакция первого порядка [k] = .

Реакция второго порядка [k] = [л/моль∙t]

Реакция n - го порядка [k] = [моль 1- n ∙ л n -1 ∙ t - t ]

III. Температура. С увеличением температуры увеличивается кинетическая энергия молекул, а, следовательно и скорость их движения. Увеличение скорости приводит к увеличению числа столкновений молекул и, как следствие этого, к увеличению скорости реакции. Экспериментально было установлено, что при увеличении температуры на каждые 10 0 скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза:

V 2 = V 1 ∙γ (T 2 – T 1)/10 или V 2 /V 1 = γ (T 2 – T 1)/10

где V 1 –скорость реакции при температуре Т 1 , V 2 – скорость реакции при температуре Т 2 ,

γ – температурный коэффициент скорости реакции, его значение для большинства неорганических реакций варьируется от двух до четырех. Эта закономерность носит название правила Вант-Гоффа .

При увеличении температуры скорость реакции увеличивается, но при этом концентрации реагирующих веществ не меняются. Следовательно, меняется, увеличивается константа скорости с ростом температуры. Зависимость константы скорости химической реакции от температуры описывается уравнением Аррениуса:

k = k o ∙e -Ea /RT

где k o – коэффициент учитывающий число активных столкновений, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура, Е а – энергия активации.

Энергия активации – это энергия молекул, при которой каждое столкновение приводит к протеканию химической реакции.

Физический смысл энергии активации легко понять из рисунка.

прод.р-ции

По оси ординат отложена сумма энтальпий исходных веществ и продуктов реакции, а по оси абсцисс – направление реакции. В этом случае разность между суммой энергий исходных веществ и максимумом кривой дает величину энергии активации прямой реакции (E a), а разность между суммой энергий продуктов реакции и этим же максимумом – энергию активации обратной реакции (E " a).

IV. Катализатор. Катализаторами называют вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но не входят в стехиометрическое уравнение реакции. Катализаторы могут, как увеличивать скорость химической реакции, так и уменьшать ее. Вещества, которые уменьшают скорость реакции, называются ингибиторами . Катализаторы принимают самое непосредственное участие в химической реакции, но по окончанию реакции могут быть выделены из реакционной смеси в исходном количестве. Для катализаторов характерна селективность, т.е. способность влиять на прохождение реакции в определенном направлении:

4 NH 3 + 3 O 2 = 6 H 2 O +2 N 2 (без катализатора)

4 NH 3 + 5 O 2 = 4 NO + 6 H 2 O (катализатор Pt)

Co, Rh→ CH 3 CH 2 CH 2 OH + CH 3 CH OH CH 3

Особое место занимают биокатализаторы – ферменты, представляющие собой белки. Они оказывают влияние на скорость строго определенных реакций, т.е. обладают высокой селективностью. Они способны увеличивать скорость реакций в миллиарды и триллионы раз при комнатной температуре. При повышении температуры они теряют свою активность, т.к. происходит денатурация белков.

УДК 544.36.

«К вопросу об использовании термина

«константа скорости химической реакции»

Ф. М. Темирсултанова,

С. М. Карсамова,

М. М. Мадаева

Я. C . Умарова

Р. А. Джамалдиева

магистранты второго курса магистратуры по химии при кафедре «Общая химия» биолого-химического факультета ЧГУ

Статья посвящена выявлению и исправлению теоретических ошибок допускаемых, авторами различных химических изданий, при рассмотрении и применении термина « константа скорости химической реакции»

Согласно закона действия (действующих) масс - скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагирующих веществ. Например, если реакция протекает по схеме:

А + В k →С + D (1)

то, скорость реакции в соответствии с законом действующих масс равна:

V x. p . = k ∙ C A ∙ C B ,(2)где:

V x. p .. – скорость химической реакции, размерность которой - моль/л сек ;

K – константа скорости химической реакции при данной температуре в физико – химическом смысле, а в математическом смысле слова- коэффициент пропорциональности ;

C A и C B –молярные концентрации реагирующих веществ А и В (моль/л).

Авторы различных химических изданий, Егоров А.С. и другие, рассматривая скорость химической реакции, на примере бимолекулярных реакций (1), допускают теоретическую ошибку , говоря, что « k - константа скорости реакции, которая равна скорости реакции при концентрациях реагирующих веществ [ A ] = [ B ] =1 моль/л », или В.Н.Алексеев, на странице 72 пишет, что приняв значения [ A ] и[ B ]равными 1 моль/л, можно считать V 1 = k 1 и делает вывод:«Следовательно, к онстантой скорости называется скорость, с которой протекает данная реакция при данных условиях, если концентрации каждого из участвующих в ней веществ равны 1моль/л (или если произведение их равно единице) цит.. Часть от целого не может быть целым (примечание авторов статьи).

Приравнивая V x. p . и k (V x. p . = k ), авторы, не учитывают размерности величин V x. p . , k и C . Следует отметить, если размерность молярных концентраций и скорости химической реакции не меняется в зависимости от молекулярности реакции, то этого нельзя сказать по отношению к размерности константы скорости химической реакции.

Константа скорости химической реакции в моно-, би- и тримолекулярных реакциях имеет различные размерности, покажем это.

Если химическая реакция мономолекулярная и может быть задана схемой:

А k →С + D (3)

скорость реакции будет равна:

V x. p . = k ∙ C A (4)

Подставив размерности V x. p . и C A в формулу (4) находим размерность k - 1/с

Когда реакция бимолекулярная (1) из равенства (2) следует, что константа скорости химической реакции будет иметь размерность .

В случае тримолекулярной реакции:

А + В +Е k → С + D (5)

Скорость химической реакции будет равна:

V x. p . = k ∙ C A ∙ C B ∙ С Е , (6)

Согласно равенства (6), размерность константы скорости химической реакции будет- л 2 /моль 2 ·с .

Эти примеры показывают нам, что нельзя приравнивать константу скорости химической реакции k к скорости химической реакции V x. p ., можно говорить только о численном равенстве этих величин, при соответствующих условиях т.е. k численно равна скорости реакции при концентрации каждого из реагирующих веществ равной 1моль/л.

Физический смысл константы скорости реакции k , вытекающий из уравнения закона действующих масс, заключается по нашему мнению, в выравнивании размерностей левой и правой частей этого уравнения или приведение размерностей произведения правой части к размерности скорости химической реакции V x. p . - моль/л сек . Из вышесказанного следует, что размерность константы скорости реакции зависит от порядка реакции . Если концентрация реагирующих веществ измерена в моль/л

Для мономолекулярной реакции, k имеет размерность с -1

Для бимолекулярной реакции, k имеет размерность л/моль·с

Для тримолекулярной реакции, k имеет размерность л 2 /моль 2 ·с

Литература

1.Егоров А.С. Химия. Пособие-репетитор для поступающих в вузы/под редакцией А.С.Егорова.- Ростов-на-Дону: «Феникс», 2001.-172с

2.Соколовская Е.М. Общая химия/под ред. Е.М.Соколовской, Г.Д. Вовченко, Л.С.Гузея.-МГУ: изд.Мос.универ.,1980.-182с.

3.Алексеев В.Н.Курс качественного химического полумикроанализа / В.Н.Алексеев.-М.:Химия, 1973.-72 с.

Научный руководитель: И.И. Хасанов , к.х.н., доцент, заведующий кафедрой «Общая химия»

Механизмы протекания химических превращений и их скорости изучает химическая кинетика. Химические процессы протекают во времени с различными скоростями. Какие-то происходят быстро, почти мгновенно, для протекания других требуется весьма продолжительное время.

Вконтакте

Скорость реакции - скорость с которой расходуются реагенты (их концентрация уменьшается) или образуются продукты реакции в единице объёма.

Факторы, способные влиять на скорость химической реакции

На то, насколько быстро будет происходить химическое взаимодействие, могут повлиять следующие факторы:

• концентрация веществ;
• природа реагентов;
• температура;
• присутствие катализатора;
• давление (для реакций в газовой среде).

Таким образом, изменяя определённые условия протекания химического процесса, можно повлиять на то, насколько быстро будет протекать процесс.

В процессе химического взаимодействия частицы реагирующих веществ сталкиваются друг с другом. Количество таких совпадений пропорционально числу частиц веществ в объёме реагирующей смеси, а значит и пропорционально молярным концентрациям реагентов.

Закон действующих масс описывает зависимость скорости реакции от молярных концентраций веществ, вступающих во взаимодействие.

Для элементарной реакции (А + В → …) данный закон выражается формулой:

υ = k ∙С A ∙С B,

где k - константа скорости; С A и С B - молярные концентрации реагентов, А и В.

Если одно из реагирующих веществ находится в твёрдом состоянии, то взаимодействие происходит на поверхности раздела фаз, в связи с этим концентрация твёрдого вещества не включается в уравнение кинетического закона действующих масс. Для понимания физического смысла константы скорости, необходимо принять С, А и С В равными 1. Тогда становится понятно, что константа скорости равна скорости реакции при концентрациях реагентов, равных единице.

Природа реагентов

Так как в процессе взаимодействия разрушаются химические связи реагирующих веществ и образуются новые связи продуктов реакции, то большую роль будет играть характер связей, участвующих в реакции соединений и строение молекул реагирующих веществ.

Площадь поверхности соприкосновения реагентов

Такая характеристика, как площадь поверхности соприкосновения твёрдых реагентов, на протекание реакции влияет, порой, довольно значительно. Измельчение твёрдого вещества позволяет увеличить площадь поверхности соприкосновения реагентов, а значит и ускорить протекание процесса. Площадь соприкосновения растворимых веществ легко увеличивается растворением вещества.

Температура реакции

При увеличении температуры энергия сталкивающихся частиц возрастёт, очевидно, что с ростом температуры и сам химический процесс будет ускоряться. Наглядным примером того, как увеличение температуры влияет на процесс взаимодействия веществ, можно считать приведённые в таблице данные.

Таблица 1. Влияние изменения температуры на скорость образования воды (О 2 +2Н 2 →2Н 2 О)

Для количественного описания того, как температура может влиять на скорость взаимодействия веществ используют правило Вант-Гоффа. Правило Вант-Гоффа состоит в том, что при повышении температуры на 10 градусов, происходит ускорение в 2−4 раза.

Математическая формула, описывающая правило Вант-Гоффа, выглядит следующим образом:

Где γ — температурный коэффициент скорости химической реакции (γ = 2−4).

Но гораздо более точно описывает температурную зависимость константы скорости уравнение Аррениуса:

Где R - универсальная газовая постоянная, А - множитель, определяемый видом реакции, Е, А - энергия активации.

Энергией активации называют такую энергию, которую должна приобрести молекула, чтобы произошло химическое превращение. То есть она является неким энергетическим барьером, который необходимо будет преодолеть сталкивающимся в реакционном объёме молекулам для перераспределения связей.

Энергия активации не зависит от внешних факторов, а зависит от природы вещества. Значение энергии активации до 40 - 50 кДж/моль позволяет веществам реагировать друг с другом довольно активно. Если же энергия активации превышает 120 кДж/моль , то вещества (при обычных температурах) будут реагировать очень медленно. Изменение температуры приводит к изменению количества активных молекул, то есть молекул, достигших энергии большей, чем энергия активации, а значит способных к химическим превращениям.

Действие катализатора

Катализатором называют вещество, способное ускорять процесс, но не входящее в состав его продуктов. Катализ (ускорение протекания химического превращения) разделяют на · гомогенный, · гетерогенный. Если реагенты и катализатор находятся в одинаковых агрегатных состояниях, то катализ называют гомогенным, если в различных, то гетерогенным. Механизмы действия катализаторов разнообразны и достаточно сложны. Кроме того, стоит отметить, что для катализаторов характерна избирательность действия. То есть один и тот же катализатор, ускоряя одну реакцию, может никак не изменять скорость другой.

Давление

Если в превращении участвуют газообразные вещества, то на скорость протекания процесса будет влиять изменение давления в системе. Это происходит потому , что для газообразных реагентов изменение давления приводит к изменению концентрации.

Экспериментальное определение скорости химической реакции

Определить быстроту протекания химического превращения экспериментально можно, получив данные о том, как в единицу времени меняется концентрация веществ, вступающих в реакцию, или продуктов. Методы получения таких данных делят на

• химические,
• физико-химические.

Химические методы достаточно просты, доступны и точны. С их помощью скорость определяют, непосредственно замеряя концентрацию или количество вещества реагентов или продуктов. В случае медленной реакции, для контроля за тем, как расходуется реагент отбирают пробы. После чего определяют содержание в пробе реагента. Осуществляя отбор проб через равные промежутки времени, можно получить данные об изменении количества вещества в процессе взаимодействия. Чаще всего используют такие виды анализа, как титриметрия и гравиметрия.

Если реакция протекает быстро, то чтобы отобрать пробу, её приходится останавливать. Это можно сделать с помощью охлаждения, резкого удаления катализатора , также можно произвести разбавление либо перевести один из реагентов в не реакционноспособное состояние.

Методы физико-химического анализа в современной экспериментальной кинетике используются чаще, чем химические. С их помощью можно наблюдать изменение концентраций веществ в реальном времени. При этом реакцию нет необходимости останавливать и отбирать пробы.

Физико-химические методы основываются на измерении физического свойства, зависящего от количественного содержания в системе определённого соединения и изменяющегося со временем. Например, если в реакции участвуют газы, то таким свойством может быть давление. Также измеряют электропроводность, показатель преломления, спектры поглощения веществ.

Вероятность образования новых молекул при встрече частиц исходных веществ будет зависеть от процесса перестройки их электронных оболочек. Необходимым условием этого является возможность перекрывания электронных орбиталей атомов с разрывом старых и образованием новых связей, которая не всегда может быть реализована вследствие геометрического строения взаимодействующих частиц. Например, для того чтобы произошел элементарный акт бимолекулярной химической реакции A + B®АВ, расстояние между частицами A и B и их взаимная ориентация должны стать такими, чтобы была возможна перестройка их электронных оболочек.

Перекрывание электронных орбиталей осуществляется в процессе сближения частиц. При этом увеличиваются как энергия притяжения, так и энергия отталкивания. Изменение соотношения величин этих энергий в зависимости от расстояния между частицами может привести к возникновению энергетического барьера, преодоление которого является необходимым условием осуществления элементарного акта. Поэтому для многих реакций имеется минимальная пороговая энергия, получившая название энергии активации (Е ак), которой должны обладать встретившиеся частицы, для того чтобы произошла химическая реакция. Основным источником энергии для преодоления этого энергетического барьера является кинетическая энергия теплового движения частиц, которая зависит от температуры. Поэтому вероятность осуществления элементарного акта (константа скорости реакции) будет зависеть от температуры.

Сванте Аррениус (Arrhenius ) предложил описывать температурную зависимость константы скорости реакции уравнением

где k 0 – предэкспоненциальный множитель; Е ак – энергия активации; R –универсальная газовая постоянная; Т – температура (К).

На практике для большинства реакций в небольшом температурном интервале предэкспоненциальный множитель и энергия активации считаются постоянными величинами, не зависящими от температуры.

Теория элементарных химических реакций определяет физический смысл этих констант и позволяет рассчитывать их величины. Существуют две основные модели описания элементарного акта реакции:теория активных соударений и теория переходного состояния.

Теория активных соударений.

Применение молекулярно-кинетической теории газов к описанию элементарной химической реакции позволило создать теорию активных соударений, в которой раскрывается физический смысл предэкспоненциального множителя в уравнении Аррениуса.

Согласно этой теории скорость бимолекулярной химической реакции определяется числом столкновений молекул за единицу времени, причем не все столкновения приводят к образованию новой молекулы, а только те, при которых кинетическая энергия исходных частиц больше энергии активации реакции. Каждое такое активное соударение приводит к осуществлению элементарного акта.

При протекании элементарной бимолекулярной химической реакции A + B ® AB при температуре Т общее число столкновений молекул A и B в газе может быть рассчитано по уравнению

,

где z – число соударений в единице объема в единицу времени; n i – число частиц в единице объема; – сечение упругого соударения частиц с эффективными радиусами r i ; – средняя относительная скорость движения частиц; – средняя молекулярная масса частиц А и В; k – постоянная Больцмана. Таким образом, .

При переходе от числа частиц к числу молей соответствующих веществ в единице объема (молярные концентрации) получаем

,

где R = k× N A – универсальная газовая постоянная; N A – число Авогадро; С i – молярная концентрация.

Пример . Определим общее число столкновений молекул H 2 и Cl 2 в 1 см 3 смеси равных объемов газов при нормальных условиях.

Число частиц H 2 и Cl 2 в 1 см 3 1/см 3 .

Относительная скорость частиц см/с.

Сечение упругого соударения молекул s=1,1×10 -14 см 2 .

Число соударений частиц H 2 и Cl 2 в 1 см 3 за 1 секунду равно: .

Поскольку к образованию новых молекул приводят только активные соударения, общее число соударений необходимо умножить на функцию f (E aк), определяющую долю соударений частиц, обладающих энергией большей, чем энергия активации Е ак:

z a = z ×f (E aк).

Функцию f (E aк) можно получить из закона распределения Максвелла - Больцмана. Доля молекул с энергией Е большей, чем энергия активации E ак (E >E ак), равна:

,

где n 0 – общее число молекул в системе; n E >E ак – число молекул, обладающих кинетической энергией большей, чем энергия активации.

Энергия активации реальных реакций, протекающих не слишком быстро и не слишком медленно, составляет величину порядка Е ак ~ 50÷100 кДж/моль. С учетом этого при температурах близких к стандартным доля молекул, имеющих энергию больше, чем энергия активации, составляет величину порядка ~10 -9 ÷10 -18 , т. е. доля столкновений частиц, приводящих к их взаимодействию, достаточно мала.

Таким образом, число активных соударений в зависимости от температуры равно:

.

Для многих реакций важна геометрия столкновений. Сталкивающиеся активные молекулы должны быть соответствующим образом ориентированы относительно друг друга, чтобы обеспечить возможность осуществления элементарного акта взаимодействия. Геометрия столкновения учитывается множителем р , получившим название стерического фактора . Тогда число активных соударений с учетом стерического фактора (z а * ) будет равно: z а * =p z а.

Поскольку каждое активное соударение приводит к образованию новой молекулы, то число активных соударений в единице объема в единицу времени (z а * ) соответствует, по определению скорости химической реакции, числу элементарных актов взаимодействия в единицу времени в единице объема. Таким образом, z а * = v ,

.

Согласно закону действующих масс, скорость химической реакции A + B ® AB равна: . Следовательно, константа скорости реакции k будет определяться выражением

или ,

где –предэкспоненциальный множитель.

Произведение сечения упругих столкновений (s) на среднюю скорость движения молекул () представляет собой частотный фактор (z 0):

.

Величина z 0 пропорциональна числу столкновений молекул в единице объема в единицу времени (числу соударений при единичных концентрациях частиц). Частотный фактор слабо зависит от температуры и может считаться величиной постоянной, которая может быть вычислена из молекулярно-кинетической теории газов.

Стерический фактор р учитывает ориентацию частиц в пространстве в момент столкновения по отношению друг к другу. При благоприятной ориентации для образования новых молекул р »1, при неблагоприятной ориентации р <1. Таким образом, k 0 =p×z 0 .

Теория активных соударений не позволяет рассчитать величину энергии активации. Дальнейшее развитие теории элементарных реакций связано с привлечением квантово-механического описания перестройки системы химических связей в молекулах реагирующих веществ.

Теория переходного состояния.

В элементарном акте химической реакции участвуют частицы исходных веществ, которые в ходе реакции превращаются в частицы продуктов. Этот переход осуществляется, как было отмечено ранее, через образование промежуточной нестабильной частицы, включающей в себя все атомы взаимодействующих частиц, объединенные общей системой химических связей. В процессе этого превращения изменяются расстояния между ядрами атомов, входящих в частицы. В модели адиабатического приближения каждому взаимному расположению ядер атомов соответствует одно определенное значение энергии, т. е. энергия системы будет определяться взаимным расположением атомов. Зависимость потенциальной энергии системы взаимодействующих частиц от их координат можно рассматривать как поверхность в многомерном пространстве – поверхность потенциальной энергии. Наиболее наглядно эту поверхность можно проиллюстрировать на примере бимолекулярной реакции АВ + С ® А + ВС, в элементарном акте которой принимают участие три атома.

В общем случае энергия трех взаимодействующих атомов зависит от расстояния между ними (r AB и r BC ) и угла a. В элементарном акте угол a полагают постоянным (угол подлета частицы С к частице АВ), например, при столкновении частиц АВ и С по направлению линии связи a=180° (рис.6.1). В этом случае поверхность потенциальной энергии будет функцией двух переменных E (r AB , r BC ). Построенная в декартовой системе координат поверхность потенциальной энергии показана на рис.6.2, а .

Рис. 6‑1 Пространственное расположение трех атомов при протекании элементарного акта бимолекулярной реакции АВ + С ® А + ВС (столкновении частиц по направлению линии связи a=180°).

В исходном состоянии энергия системы минимальна по отношению к расположению атомов в молекуле АВ (определяется r AB ) и слабо зависит от другой координаты(r BC ). На диаграмме (рис.6.2, а )этому состоянию соответствует долина исходных веществ . В конечном состоянии энергия системы минимальна по отношению к расположению атомов в молекуле ВС (r BC ) и слабо зависит от другой координаты (r AB ). На диаграмме этому состоянию соответствует долина продуктов . Элементарный акт химической реакции представляет собой переход системы из долины исходных веществ с долину продуктов. Энергетически выгодно, чтобы этот переход осуществлялся через точки минимумов на поверхности потенциальной энергии.

Рис. 6‑2 Поверхность потенциальной энергии реакции АВ + С ® А + ВС (а) и изолинии потенциальной энергии (б)

Этот переход (путь реакции) показан стрелкой на диаграмме потенциальной поверхности, изображенной на плоскости в виде системы линий, соединяющих точки с одинаковыми значениями потенциальной энергии (рис. 6.2, б ). При движении из одной долины в другую энергия системы сначала возрастает, а затем уменьшается, система преодолевает перевал (точка P ). Слева располагается «высокое» плато, которое соответствует состоянию системы из трех отдельных атомов А, В, С (одновременно r AB и r BC ® ∞). Справа поверхность «круто» поднимается вверх, поскольку одновременное уменьшение расстояний между атомами (r AB и r BC ® 0) приводит к резкому возрастанию энергии отталкивания атомов (рис. 6.2, а ).

Состояние системы с максимальной энергией (точка P ) называется переходным состоянием , которое соответствует образованию тремя атомами короткоживущего промежуточного соединения (активированного комплекса ), обладающего повышенным запасом энергии. Таким образом, элементарная химическая реакция проходит через стадию образования активированного комплекса. Он представляет собой нестабильную молекулу, в состав которой входят все атомы исходных веществ и в которой старые химические связи еще полностью не разрушены, а новые еще полностью не образованы.

В рассматриваемой реакции система проходит через активированный комплекс (ABC) ¹:

Все параметры, относящиеся к переходному состоянию (активированному комплексу), обозначаются верхним индексом ¹.

Если ввести понятие координаты реакции (X ) – положение системы на пути перехода из начального состояния в конечное (рис.6.2, б ), то изменение энергии системы в ходе элементарного акта будет представлять собой функцию одной переменной E (X ). Вид этой зависимости представлен на энергетической диаграмме рис.6.3.

Максимум на диаграмме (точка P ) соответствует переходному состоянию. Энергия активации реакции соответствует энергии образования активированного комплекса. Это энергия, которой должны обладать частицы, для того чтобы произошел элементарный акт химической реакции.

Рис. 6‑3 Диаграмма изменения энергии системы в ходе реакции АВ+С ® А+ВС

Необходимо отметить, что теория переходного состояния базируется на ряде допущений. Элементарный акт реакции проходит через образование активированного комплекса по пути преодоления самого низкого энергетического барьера. Расчет энергии активации проводится с использованием методов квантовой механики. Считается, что активированный комплекс (ABC) ¹ представляет собой обычную молекулу, у которой одна колебательная степень свободы заменяется на поступательное движение вдоль координаты реакции (X ). Система находится все время в состоянии термодинамического равновесия. Вероятность перехода активированного комплекса в продукты реакции определяется трансмиссионным коэффициентом c, который чаще всего равен единице.